[发明专利]一种大尺寸金属坯料的均匀加热装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，特别涉及到一种大尺寸金属坯料的均匀加热装置和方法。

背景技术

金属材料的加工成形技术主要有锻造、铸造以及新兴的半固态成形技术，金属坯料的均匀加热是金属坯料热成形过程的重要环节。控温不准和温度场不均匀都会对后续的成形过程、制件组织和性能造成较大影响。所以，金属坯料的加热要求坯料的加热温控精度很高，同时，还要求坯料的加热要具有一定的速度，防止加热过程中晶粒长大和粗化，加热时间不宜太长。同时为了满足工业化生产，加热完成的金属坯料要能够迅速转移和对接，尽可能减小温降和防止晶粒进一步长大。

为了保证金属坯料的加热精度和加热速度，工业上采用的加热方式主要是电磁感应加热，并采用机械手将加热好的金属坯料快速装入模具内完成后续成形。有关金属坯料加热的装置和工艺方法方面的研究不少，包括北京有色金属研究总院半固态金属坯料二次加热立式装置（200820108866）和卧式装置（200810115679），上海大学申请的一种铝合金半固态成形技术中的二次加热工艺（03115916），该专利对多线圈间歇式分段感应加热工艺进行了研究和保护。但上述专利提及的加热坯料的尺寸和重量都较小，尤其是对半固态成形而言，坯料的重量一般不超过5Kg。实际上大尺寸金属坯料的均匀加热控制对坯料组织稳定性以及工业化连续生产效率非常重要，大尺寸金属坯料在加热过程中加热精度的控制难度大，坯料内外、上下的温差不均匀，坯料表面加热不均匀，容易流汤，同时加热后期容易产生“象足”现象，对后续的坯料转运、对接和成形过程带来诸多问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种大尺寸金属坯料的均匀加热装置，本发明通过大量的前期研究，对感应加热器结构、风冷结构和加热工艺进行优化设计，实现了对大尺寸金属坯料的快速均匀性加热，效果十分明显。本发明的装置加热速率快，能够保证被加热大尺寸金属坯料内外温差小、温度场均匀、控温准确，金属坯料的转移与后续加工成形对接方便。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种大尺寸金属坯料的均匀加热装置，该装置主要由感应加热机构、风冷机构和坯料转运机构组成，感应加热机构为电磁感应加热线圈，电磁感应加热线圈呈立式放置；风冷机构为风冷线圈，风冷线圈安装于电磁感应加热线圈的外围，坯料转运机构用于运送金属坯料。

所述的坯料转运机构位于电磁感应加热线圈的下方，主要包括气动驱动气缸，通过上下运动实现坯料的转运。

所述的坯料转运机构由气缸、绝缘棒、石棉垫片和坯料托板组成，气缸和坯料托板之间通过绝缘棒连接，石棉垫片放置于坯料托板上。

所述的风冷机构由径向可移动风冷线圈、径向固定风冷线圈和轴向固定风冷线圈组成，各风冷线圈对坯料表面温度场进行控制。径向可移动风冷线圈安装于电磁感应加热线圈的中上部，可上下移动，径向固定风冷线圈安装于电磁感应加热线圈的下部，轴向固定风冷线圈安装于电磁感应加热线圈的底部。

该装置的电磁感应加热线圈的电源可以选择可控硅电源或IGBT电源或其他电源，电源频率为200～1500Hz。电磁感应加热线圈的尺寸根据所需加热大尺寸金属坯料的尺寸决定，对于圆形的感应加热线圈而言，感应线圈内径为坯料直径的1.1～1.5倍，感应线圈的高度为坯料高度的1.5～4倍。

在径向固定风冷线圈与轴向固定风冷线圈之间还设置加热工作平台，其作用是用于安装和固定电磁感应加热线圈以及轴向固定风冷线圈。

本发明的另一目的是提供一种大尺寸金属坯料的均匀加热方法，采用上述加热装置对大尺寸金属坯料进行均匀加热。

一种大尺寸金属坯料的均匀加热方法，包括如下步骤：将金属坯料放置在垫有石棉垫片的坯料托板上，坯料转运机构将坯料推入电磁感应加热线圈中进行加热，加热的同时开启风冷机构；加热完成后，坯料转运机构将坯料移出电磁感应加热线圈，取出坯料，完成大尺寸金属坯料加热的全过程。

大尺寸金属坯料的加热方式采用三段式加热工艺：高功率快速加热阶段、中功率温度平衡阶段和低功率均匀化阶段，可以根据坯料的尺寸调整三段式加热工艺。

高功率快速加热阶段加热功率为30~50KW，加热时间3~5min；中功率温度平衡阶段的加热功率为10~15KW，加热时间4~5min；低功率温度平衡阶段的加热功率为6~8KW，加热时间3~4min。